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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Destillationsmodul für eine Membrandestillation. Die Erfindung betrifft außerdem eine Destillationseinrichtung, insbesondere zur Mehrwasserentsalzung, die mit mindestens einem derartigen Destillationsmodul ausgestattet ist.
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Bei einer Membrandestillation handelt es sich um ein thermisch getriebenes Separationsverfahren, bei dem die Separation aufgrund eines Phasenwechsels erfolgt. Eine hydrophobe Membran stellt hierbei eine Barriere für die flüssige Phase, zum Beispiel Salzwasser, eines Fluidstroms dar. Die dampfförmige Phase, zum Beispiel Wasserdampf, kann jedoch durch die Poren der Membran permeieren. Die treibende Kraft für den Prozess bildet ein Partialdampfdruckgefälle, welches üblicherweise durch eine Temperaturdifferenz hervorgerufen wird. Die Membrandestillation kann beispielsweise zur Gewinnung von Süßwasser, insbesondere Trinkwasser oder Brauchwasser, aus Salzwasser, üblicherweise Meerwasser, genutzt werden, zum Beispiel auf einem Schiff oder in einer stationären Anlage auf dem Land. Eine hierbei zum Einsatz kommende Destillationsmembran zeichnet sich durch eine hydrophobe und dampfdurchlässige Membranschicht aus, die eine Verdampferkanalschicht von einer Kondensatorkanalschicht trennt. Über die Verdampferkanalschicht wird eine Verdampferflüssigkeit bzw. Speiseflüssigkeit zugeführt, deren Flüssigkeitsgehalt durch Verdampfung reduziert werden soll. Im Beispiel der Meerwasserentsalzung wird als Speiseflüssigkeit bzw. Verdampferflüssigkeit Salzwasser verwendet. Durch Verdampfen von Wasser reduziert sich der Wasseranteil im Salzwasser, wodurch der Salzanteil im Salzwasser zunimmt. In der Kondensatorkanalschicht wird dagegen eine Kondensatorflüssigkeit, die kurz auch als Kondensat bezeichnet werden kann, oder Destillatflüssigkeit geführt, die kurz auch als Destillat bezeichnet werden kann.
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Das Destillat wird durch den Flüssigkeitsdampf, der aus der Verdampferkanalschicht durch die Membranschicht hindurch in die Kondensatorkanalschicht gelangt, durch Kondensation dieses Flüssigkeitsdampfs angereichert. Dieser Flüssigkeitsdampf repräsentiert dabei ein Permeat, das am Destillat kondensiert und dadurch das Destillat vermehrt. Im Beispiel der Meerwasserentsalzung ist das Destillat Süßwasser, das durch den daran kondensierenden Wasserdampf des Salzwassers vermehrt wird. Die aufkonzentrierte Speiseflüssigkeit tritt als Retentatflüssigkeit oder kurz als Retentat aus der Verdampferkanalschicht aus. Im Beispiel der Meerwasserentsalzung ist das Retentat durch Salzwasser gebildet, das eine erhöhte Salzkonzentration besitzt.
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In der Praxis kommen im Wesentlichen vier verschiedene Membrandestillationsverfahren, kurz MD-Verfahren, zum Einsatz. Bei einem Direct Contact MD-Verfahren (DCMD) sind beide Seiten der Membran direkt mit Flüssigkeit beaufschlagt. Auf der Verdampferseite befindet sich die heiße Speiseflüssigkeit, während sich permeatseitig gekühltes Permeat bzw. Kondensationsflüssigkeit befindet. Die Kondensation des durch die Membran hindurch permeierenden Dampfes findet direkt in der flüssigen Phase an der Membrangrenzschicht statt. Beim Air Gap MD-Verfahren (AGMD) entspricht der Aufbau des Verdampferkanals dem des DCMD-Verfahrens, während der Permeatkanal oder Kondensatorkanal zwischen der Permeatseite der Membran und der gekühlten Wandung liegt und mit Luft gefüllt ist. Beim Sweeping Gas MD-Verfahren (SWGMD) wird ein Kanalaufbau mit freiem Spalt auf der Permeatseite verwendet, was im Wesentlichen dem Aufbau des AGMD-Verfahrens entspricht. Allerdings wird beim SWGMD-Verfahren dieser Spalt mit einem Gas gespült. Die Kondensation des Dampfes findet dann außerhalb des MD-Moduls in einem separaten Kondensator statt. Beim Vacuum MD-Verfahren (VMD) wird ebenfalls ein Kanalaufbau mit Luftspalt verwendet, wobei der durch die Membran permiierte Dampf über einen Unterdruck aus dem Permeatkanal abgezogen wird und dann wie beim SWGMD-Verfahren außerhalb des MD-Moduls kondensiert wird.
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Eine Destillationseinrichtung, die sich insbesondere zur Meerwasserentsalzung eignet, kann mit mindestens einem Destillationsmodul ausgestattet sein, das die erforderlichen Anschlüsse zum Zuführen und Abführen der unterschiedlichen Flüssigkeiten aufweist.
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Aus der
DE 10 2004 013 647 A1 ist ein Destillationsmodul bekannt, bei dem eine einzige Destillationsmembran spiralförmig um ein Zentrum gewickelt ist, die eine Verdampferkanalschicht, eine Kondensatorkanalschicht und eine zwischen der Verdampferkanalschicht und der Kondensatorkanalschicht angeordnete hydrophobe Membranschicht aufweist. Das bekannte Destillationsmodul besitzt einen Verdampfereinlass, über den die Speiseflüssigkeit zugeführt wird. Ferner ist ein Retentatauslass vorgesehen, über den die aufkonzentrierte Speiseflüssigkeit abgeführt werden kann. Schließlich sind zwei Permeatauslässe vorgesehen, nämlich ein erster Permeatauslass für dampfförmiges Permeat und ein zweiter Permeatauslass für flüssiges Permeat. Ein Einlass zum Zuführen von Kondensatflüssigkeit ist nicht vorgesehen.
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Auch die
DE 10 2004 040 950 A1 zeigt ein Destillationsmodul, bei dem nur ein Speiseflüssigkeitseinlass, ein Permeatauslass und ein Retentatauslass vorgesehen sind. Ein Einlass für Kondensatflüssigkeit fehlt auch hier. In diesem Destillationsmodul ist wieder eine einzige Destillationsmembran spiralförmig um ein Zentrum gewickelt, wobei die Destillationsmembran zusätzlich eine Dampfkanalschicht enthält, die durch die Membranschicht von der Kondensatorkanalschicht getrennt ist. Innerhalb der spiralförmigen Wicklung der Destillationsmembran endet die Verdampferkanalschicht und ist mit dem innenliegenden Ende der Kondensatorkanalschicht verbunden, so dass bei diesem Beispiel die Speiseflüssigkeit zum Kühlen und zum Heizen dient. Die Dampfkanalschicht dient zum Kondensieren des Permeats und ist dementsprechend an den Permeatauslass oder Destillatauslass angeschlossen.
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Aus der
DE 40 08 066 C2 ist eine Destillationseinrichtung bekannt, die eine Verdampfungs- und Kondensationseinheit aufweist, in der eine Vielzahl von Rinnen zum Führen von Verdampferflüssigkeit und Kondensatorflüssigkeit angeordnet ist. Diese Einheit besitzt einen Zulauf für Verdampferflüssigkeit (Speiseflüssigkeit), einen Ablauf für Verdampferflüssigkeit (Retentat), einen Zulauf für Kondensatorflüssigkeit (Destillat) und einen Ablauf für Kondensatorflüssigkeit (Destillat). Das Destillat wird bei der bekannten Vorrichtung somit zum Kühlen genutzt.
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Aus der
EP 1 029 583 A1 ist, der
DE 203 03 013 U1 und der
DE 15 17 915 A ist jeweils ein Destillationsmodul bekannt, bei dem mehreren Destillationsmembranen spiralförmig um ein Zentrum gewickelt sind, so dass mehrere parallel durchströmbare Verdampferkanalschichten, mehrere parallel durchströmbare Kondensatorkanalschichten und mehrere hydrophobe Membranschichten vorhanden sind, die jeweils zwischen einer Verdampferkanalschicht und einer Kondensatorkanalschicht angeordnet sind. Auch bei diesen Destillationsmodulen sind jeweils nur drei Anschlüsse vorgesehen, nämlich ein Speiseflüssigkeitseinlass, ein Retentatauslass und ein Permeatauslass. Ein Einlass für Kondensatorflüssigkeit fehlt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Destillationsmodul der eingangs genannten Art bzw. für eine damit ausgestattete Destillationseinrichtung eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen kompakten Aufbau auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Destillationsmodul mit mehreren spiralförmig um ein Zentrum gewickelten Destillationsmembranen auszustatten, um mehrere Verdampferkanalschichten, mehrere Kondensatorkanalschichten und mehrere, jeweils zwischen einer Verdampferkanalschicht und einer Kondensatorkanalschicht angeordneten Membranschichten auszubilden. Die Membranschichten bestehen dabei aus einem hydrophoben Membranmaterial. In der Folge ist das Membranmaterial und somit die daraus hergestellte Membranschicht für die Kondensatorflüssigkeit und für die Verdampferflüssigkeit weitgehend undurchlässig, während sie für Dampf der Verdampferflüssigkeit durchlässig ist. Das Membranmaterial ist daher insbesondere semipermeabel. Ferner wird vorgeschlagen, das Destillationsmodul gehäuseseitig mit einem Verdampfereinlass zum Zuführen von Verdampferflüssigkeit, mit einem Kondensatoreinlass zum Zuführen von Kondensatorflüssigkeit, mit einem Verdampferauslass zum Abführen von Verdampferflüssigkeit und mit einem Kondensatorauslass zum Abführen von Kondensatorflüssigkeit auszustatten. Als Kondensatorflüssigkeit wird dabei das Permeat bzw. Kondensat oder Destillat verwendet, so dass sein Massestrom beim Durchströmen des Destillationsmoduls zunimmt, nämlich durch das Permeat, also den Flüssigkeitsdampf, der aus der Verdampferflüssigkeit austritt, die Membran durchtritt und an bzw. in der Kondensatorflüssigkeit kondensiert. Insbesondere lässt sich hierdurch eine effiziente Kühlung innerhalb des Destillationsmoduls auf der Kondensatorseite realisieren. Durch die Parallelschaltung mehrerer Flüssigkeitsströme lässt sich dabei eine hohe Effizienz bei kompakter Bauweise realisieren. Die kompakte Bauweise ist dabei außerdem für einen energieeffizienten Betrieb von Vorteil. Eine solche kompakte Bauweise kann bei reduziertem Raumangebot von Vorteil sein, z.B. auf einem Schiff.
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Im Einzelnen schlägt die Erfindung vor, innerhalb des Destillationsmoduls für sämtliche Destillationsmembranen zumindest einen Verdampfereinlasskanal vorzusehen, der mit einer oder mit mehreren oder mit allen Verdampferkanalschichten fluidisch verbunden ist. Ferner ist für jede Destillationsmembran ein Verdampferauslasskanal vorgesehen, der mit jeweils einer Verdampferkanalschicht fluidisch verbunden ist. Außerdem sind für die Destillationsmembranen jeweils ein Kondensatoreinlasskanal und ein Kondensatorauslasskanal vorgesehen, die an entgegengesetzten Enden mit der jeweiligen Kondensatorkanalschicht fluidisch verbunden sind. Der Verdampfereinlass des Gehäuses ist mit dem Verdampfereinlasskanal fluidisch verbunden, während der Verdampferauslass des Gehäuses mit den Verdampferauslasskanälen fluidisch verbunden ist. Ebenso ist der Kondensatoreinlass des Gehäuses mit den Kondensatoreinlasskanälen fluidisch verbunden, während der gehäuseseitige Kondensatorauslass mit den Kondensatorauslasskanälen fluidisch verbunden ist. Auf diese Weise besitzt das jeweilige Destillationsmodul gehäuseseitig im Extremfall genau bzw. nur vier Anschlüsse, während innerhalb des Destillationsmoduls entsprechend der jeweiligen Anzahl an Destillationsmembranen zumindest zwei Verdampferauslasskanäle, zumindest zwei Kondensatoreinlasskanäle und zumindest zwei Kondensatorauslasskanäle enthalten sind, um eine parallele Durchströmung der Verdampferkanalschichten und Kondensatorkanalschichten zu ermöglichen. Die gehäuseseitigen Anschlüsse sind dabei zweckmäßig an zwei axial voneinander beabstandeten Endböden des Gehäuses ausgebildet. Der erste Endboden weist den Verdampfereinlass und den Kondensatoreinlass auf und repräsentiert somit einen einlassseitigen Endboden. Der zweite Endboden weist den Verdampferauslass und den Kondensatorauslass auf und repräsentiert dadurch einen auslassseitigen Endboden.
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Vorteilhaft ist nur ein einziger, gemeinsamer Verdampfereinlasskanal vorgesehen, der vorzugsweise zentrisch oder zentral im Destillationsmodul angeordnet ist. Alternativ können auch mehrere Verdampfereinlasskanäle vorgesehen sein, insbesondere für jede Verdampferkanalschicht ein separater Verdampfereinlasskanal. Zweckmäßig sind die Verdampferauslasskanäle bezüglich des zentralen Verdampfereinlasskanals distal angeordnet. Die Kondensatoreinlasskanäle können zweckmäßig bezüglich des zentralen Verdampfereinlasskanals distal angeordnet sein. Im Unterschied dazu sind die Kondensatorauslasskanäle bezüglich des zentralen Verdampfereinlasskanals proximalen angeordnet. Ferner können die genannten Kanäle zweckmäßig jeweils geradlinig ausgestaltet und parallel zur Längsmittelachse des Destillationsmoduls ausgerichtet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der erste Endboden einen ringförmigen Verteilerkanal enthalten, der den Kondensateinlass mit den Kondensateinlassöffnungen der Kondensateinlasskanäle fluidisch verbindet. Insoweit bildet der erste Endboden einen gehäuseseitigen Verteiler für das Kondensat. Die Integration des Verteilerkanals bzw. dieser Verteilerfunktion in den ersten Endboden vereinfachten den Aufbau und somit die Herstellung des Destillationsmoduls.
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Zusätzlich oder alternativ kann am ersten Endboden der Verdampfereinlass zentrisch angeordnet sein, während der Kondensatoreinlass exzentrisch angeordnet ist. Hierdurch vereinfacht sich die fluidische Verbindung des Verdampfereinlasses mit dem ebenfalls zentral angeordneten gemeinsamen Verdampfereinlasskanal.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann der zweite Endboden einen ringförmigen Sammelkanal enthalten, der die Verdampferauslassöffnungen der Verdampferauslasskanäle mit dem Verdampferauslass des Gehäuses fluidisch verbindet. Hierdurch besitzt der zweite Endboden eine Sammlerfunktion für die Verdampferflüssigkeit. Durch die Integration des Sammelkanals bzw. dieser Sammlerfunktion in den zweiten Endboden vereinfacht sich die Herstellung des Destillationsmoduls.
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Zweckmäßig kann vorgesehen sein, dass am zweiten Endboden der Kondensatorauslass zentrisch angeordnet ist, während der Verdampferauslass exzentrisch angeordnet ist. Hierdurch verkürzen sich die Leitungsführungen innerhalb des zweiten Endbodens, was die Herstellung vereinfacht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Verdampfereinlasskanal durch einen Innenraum eines Verdampfereinlassrohrs gebildet sein, das an einem dem ersten Endboden zugewandten ersten Ende axial offen ist und dort die Verdampfereinlassöffnung bildet, wobei das Verdampfereinlassrohr an seinem dem zweiten Endboden zugewandten zweiten Ende axial verschlossen ist. Das Verdampfereinlassrohr weist außerdem für jede Verdampferkanalschicht zumindest eine radiale Verbindungsöffnung auf, durch die der durch den Innenraum des Verdampfereinlassrohrs gebildete Verdampfereinlasskanal mit der jeweiligen Verdampferkanalschicht fluidisch verbunden ist. Auf diese Weise wird eine besonders einfach realisierbare fluidische Verbindung zwischen dem Verdampfereinlasskanal und den Verdampferkanalschichten realisiert.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann der jeweilige Verdampferauslasskanal durch einen Innenraum eines Verdampferauslassrohrs gebildet sein, das an einem dem ersten Endboden zugewandten ersten Ende axial verschlossen ist, das an einem dem zweiten Endboden zugewandten zweiten Ende axial offen ist und dort die jeweilige Verdampferauslassöffnung bildet. Ferner weist das Verdampferauslassrohr für eine solche Verdampferkanalschicht zumindest eine radiale Verbindungsöffnung auf, durch die der durch den Innenraum des Verdampferauslassrohrs gebildete Verdampferauslasskanal mit der jeweiligen Verdampferkanalschicht fluidisch verbunden ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann der jeweilige Kondensatoreinlasskanal durch einen Innenraum eines Kondensatoreinlassrohrs gebildet sein, das an einem dem ersten Endboden zugewandten ersten Ende axial offen ist und die jeweilige Kondensatoreinlassöffnung bildet, das an einem dem zweiten Endboden zugewandten zweiten Ende axial verschlossen ist und das für eine solche Kondensatorkanalschicht wenigstens eine radiale Verbindungsöffnung aufweist, durch die der durch den Innenraum des Kondensatoreinlassrohrs gebildete Kondensatoreinlasskanal mit der jeweiligen Kondensatorkanalschicht fluidisch verbunden ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann der jeweilige Kondensatorauslasskanal durch einen Innenraum eines Kondensatoreinlassrohrs gebildet sein, das in einen dem ersten Endboden zugewandten ersten Ende axial verschlossen ist, das an einem dem zweiten Endboden zugewandten zweiten Ende axial offen ist und dort die jeweilige Kondensatorauslassöffnung bildet und das für eine solche Kondensatorkanalschicht wenigstens eine radiale Verbindungsöffnung aufweist, durch die der durch den Innenraum des Kondensatorauslassrohrs gebildeten Kondensatorauslasskanal mit der jeweiligen Kondensatorkanalschicht fluidisch verbunden ist.
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Die vorstehend genannten Rohre, nämlich das Verdampfereinlassrohr, die Verdampferauslassrohre, die Kondensatoreinlassrohre und die Kondensatorauslassrohre bilden mit ihren radialen Verbindungsöffnungen vergleichsweise einfach realisierbare fluidische Kopplungen mit den zugehörigen Kanalschichten der Destillationsmembranen. Dementsprechend vereinfacht sich der Aufbau bzw. die Herstellung des Destillationsmoduls.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der je zwei in Umfangsrichtung benachbarte Membranschichten durch Längsabschnitte einer gemeinsamen Membranbahn aus hydrophobem Membranmaterial gebildet sind, wobei die beiden Längsabschnitte an ihren radial inneren Enden durch eine innere Schlaufe der Materialbahn und an ihren radial äußeren Enden durch eine äußere Schlaufe miteinander verbunden sind. Die Materialbahn ist dann in ihrer Bahnlängsrichtung als geschlossen umlaufende, quasi endlose Struktur ausgestaltet. Zwischen den Längsabschnitten ist eine innere Spacer-Materialbahn angeordnet, die zwischen den Längsabschnitten die jeweilige Verdampferkanalschicht oder die jeweilige Kondensatorkanalschicht definiert. Die Spacer-Materialbahn besitzt zweckmäßig eine Gitterstruktur oder Gewebestruktur, die von der jeweiligen Flüssigkeit leicht durchströmbar ist. Die innere Spacer-Materialbahn ist von der Membranbahn umlaufend geschlossen eingefasst.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung definiert die jeweilige innere Spacer-Materialbahn eine Kondensatorkanalschicht und ragt radial innen durch die Verbindungsöffnung eines der Kondensatorauslassrohre in den jeweiligen Kondensatorauslasskanal hinein, während sie radial außen durch die Verbindungsöffnung eines solchen Kondensatoreinlassrohrs in den jeweiligen Kondensatoreinlasskanal hineinragt. Die innere Schlaufe umschlingt dann das jeweilige Kondensatorauslassrohr, während die äußere Schlaufe dann das jeweilige Kondensatoreinlassrohr umschlingt. Somit sind auch Kondensatoreinlassrohr und Kondensatorauslassrohr von der geschlossenen Membranbahn umschlossen bzw. eingefasst, wodurch die Gefahr von Leckagen erheblich reduziert ist.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung kann zwischen zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Membranbahnen eine äußere Spacer-Materialbahn angeordnet sein, die zwischen den einander zugewandten Längsabschnitten dieser beiden Membranbahnen die jeweilige Kondensatorkanalschicht oder die jeweilige Verdampferkanalschicht definiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die jeweilige äußere Spacer-Materialbahn zweckmäßig eine Verdampferkanalschicht definieren und radial innen durch eine der Verbindungsöffnungen des Verdampfereinlassrohrs in den Verdampfereinlasskanal hineinragen, während sie radial außen durch die Verbindungsöffnung eines solchen Verdampferauslassrohrs in den Verdampferauslasskanal hineinragt. Auch hierdurch wird eine relativ einfache fluidische Verbindung geschaffen, die hinreichend dicht ist.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der innerhalb der jeweiligen Destillationsmembran die jeweilige Membranschicht einerseits dem in der Verdampferkanalschicht geführten Verdampfungsmittel und andererseits dem in der Kondensatorkanalschicht geführten Kondensationsmittel unmittelbar ausgesetzt ist. In diesem Fall ist das Destillationsmodul für ein DCMD-Verfahren vorgesehen. Es ist klar, dass bei anderen Ausführungsformen das Destillationsmodul auch für ein AGMD-Verfahren, für ein VMD-Verfahren oder für ein SWGMD-Verfahren vorgesehen sein kann.
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Eine erfindungsgemäße Destillationseinrichtung, die sich vorzugsweise zur Meerwasserentsalzung eignet, umfasst mindestens ein Destillationsmodul der vorstehend beschriebenen Art. Ferner sind eine Verdampferzuführung zum Zuführen eines flüssigen Verdampfungsmittels, eine Kondensatorzuführung zum Zuführen eines flüssigen Kondensationsmittels, eine Verdampferabführung zum Abführen eines Retentats und eine Kondensatorabführung zum Abführen eines Permeats oder Kondensats oder Destillats vorgesehen. Innerhalb der Destillationseinrichtung können dabei mehrere Destillationsmodule parallel geschaltet sein und vorzugsweise auch parallel an die Verdampferzuführung, die Kondensatorzuführung, die Verdampferabführung und die Kondensatorabführung angeschlossen sein.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Destillationseinrichtung,
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2 eine isometrische Ansicht eines Destillationsmoduls,
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3 ein Längsschnitt des Destillationsmoduls ohne Gehäusemantel,
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4 ein Querschnitt des Destillationsmoduls gemäß Schnittlinien IV in 3,
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5 ein Querschnitt des Destillationsmoduls entsprechend Schnittlinien V in 3,
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6 ein Querschnitt des Destillationsmoduls entsprechend Schnittlinien VI in 3,
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7 eine vergrößerte und stark vereinfachte Detailansicht des Querschnitts aus 4.
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Entsprechend 1 umfasst eine Destillationseinrichtung 1, die vorzugsweise zur Meerwasserentsalzung verwendet und auf einem Wasserfahrzeug zum Einsatz kommen kann, zumindest ein Destillationsmodul 2, in dem ein Verdampferpfad 3 mittels einer hydrophoben Membranstruktur 4 von einem Kondensatorpfad 5 getrennt ist. Die Destillationseinrichtung 1 weist außerdem eine Verdampferzuführung 6 auf, mit der eine Verdampferflüssigkeit dem jeweiligen Destillationsmodul 2 zuführbar ist. Die Verdampferzuführung 6 ist hierzu an einen Verdampfereinlass 7 des Destillationsmoduls 2 angeschlossen. Zum Fördern der Verdampferflüssigkeit kann in der Verdampferzuführung 6 eine Verdampfungsmittelpumpe 8 angeordnet sein. In die Verdampferzuführung 6 sind im gezeigten Beispiel ein erster Wärmeübertrager 9 und ein zweiter Wärmeübertrager 10 eingebunden, über die der Verdampferflüssigkeit Wärme zugeführt werden kann. Eine Verdampferabführung 11 ist an einen Verdampferauslass 12 des Destillationsmoduls 2 angeschlossen und führt die Verdampferflüssigkeit ab, die an dieser Stelle auch als Retentat bezeichnet werden kann.
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Die Destillationseinrichtung 1 weist außerdem eine Kondensatorzuführung 13 auf, die an einen Kondensatoreinlass 14 des Destillationsmoduls 2 angeschlossen ist und die zum Zuführen einer Kondensationsflüssigkeit dient. In der Kondensatorzuführung 13 kann zum Antreiben der Kondensationsflüssigkeit eine Kondensationsmittelpumpe 15 angeordnet sein. Ferner ist eine Kondensatabführung 16 vorgesehen, die an einem Kondensatauslass 17 des Destillationsmoduls 2 angeschlossen ist und die zum Abführen der Kondensationsflüssigkeit dient.
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Die Kondensationsflüssigkeit kann ab dieser Stelle auch als Permeat oder Kondensat oder Destillat bezeichnet werden. Die Kondensatorabführung 16 ist in den ersten Wärmeübertrager 9 eingebunden, wodurch eine Wärmerückgewinnung realisierbar ist. Die Kondensatorabführung 16 endet an einem Verteiler 18, von dem die Kondensatorzuführung 13 ausgeht und von dem eine Destillatleitung 19 ausgeht, die beispielsweise zu einem Destillattank führen kann. Der Verteiler 18 steuert die Aufteilung des von der Kondensatorabführung 16 zugeführten Destillatstroms auf die Destillatleitung 19 und die Kondensatorzuführung 13.
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Der zweite Wärmeübertrager 10 ist auf geeignete Weise in einen Heizkreis 20 eingebunden, der grundsätzlich beliebiger Natur sein kann. Sofern die Destillationseinrichtung 1 auf einem Schiff zum Einsatz kommt, kann der Heizkreis 20 durch einen Zweig eines Kühlkreises eines Antriebsaggregats des Schiffs gebildet sein.
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Entsprechend den 2–7 umfasst das Destillationsmodul 2 ein Gehäuse 21, das einen zylindrischen Mantel 22 und zwei axial voneinander abgewandte Endböden, nämlich einen ersten Endboden 23 und einen zweiten Endboden 24 aufweist. Der Gehäusemantel 22 ist nur in 2 dargestellt. Der erste Endboden 24 ist nur in den 3 und 5 erkennbar. Der zweite Endboden 24 ist in den 2, 3 und 6 erkennbar.
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Entsprechend den 3–7 weist das Destillationsmodul 2 einen zentralen Verdampfereinlasskanal 25 auf, der eine Verdampfereinlassöffnung 26 besitzt. Ferner sind mehrere Verdampferauslasskanäle 27 vorgesehen, die bezüglich des Verdampfereinlasskanals 25 distal, also radial beabstandet angeordnet sind und die in der Umfangsrichtung gleichförmig verteilt angeordnet sind. Die Umfangsrichtung ist in den 2 und 4–6 durch einen Doppelpfeil angedeutet und mit 28 bezeichnet. Die Umfangsrichtung 28 bezieht sich dabei auf eine Längsmittelachse 29 des Destillationsmoduls 2.
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Des Weiteren sind mehrere Kondensatoreinlasskanäle 30 vorgesehen, die ebenfalls bezüglich der Längsmittelachse 29 bzw. bezüglich des Verdampfereinlasskanals 25 radial distal angeordnet und in der Umfangsrichtung 28 gleichförmig verteilt angeordnet sind. Zweckmäßig wechseln sich radial außen am Destillationsmodul 2 innerhalb des Gehäusemantels 22 die Verdampferauslasskanäle 27 und die Kondensatoreinlasskanäle 30 in der Umfangsrichtung 28 ab. Ferner weist das Destillationsmodul 2 mehrere Kondensatorauslasskanäle 31 auf, die bezüglich der Längsmittelachse 29 proximal, also angenähert angeordnet und in der Umfangsrichtung 28 verteilt angeordnet sind. Die Verdampferauslasskanäle 27 weisen jeweils eine Verdampferauslassöffnung 32 auf. Die Kondensatoreinlasskanäle 30 weisen jeweils eine Kondensatoreinlassöffnung 33 auf. Die Kondensatorauslasskanäle 31 weisen jeweils eine Kondensatorauslassöffnung 34 auf.
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Das hier gezeigte Destillationsmodul 2 weist außerdem mehrere Destillationsmembranen 35 auf, die um die Längsmittelachse 29 spiralförmig gewickelt sind. Die Destillationsmembranen 35 erstrecken sich dabei in der Umfangsrichtung 28 spiralförmig gewickelt um den zentralen Verdampfereinlasskanal 25 und die dazu proximal angeordneten Kondensatorauslasskanäle 39. Die spiralförmig aufgewickelten Destillationsmembranen 35 bilden eine Wicklung 36, die in 4 vereinfacht angedeutet ist. Innerhalb dieser Wicklung 36 bilden die Destillationsmembranen 35 gemäß 7 mehrere Verdampferkanalschichten 37, mehrere Kondensatorkanalschichten 38 und mehrere Membranschichten 39 aus. Die jeweilige Membranschicht 39 ist dabei jeweils zwischen einer Verdampferkanalschicht 37 und einer Kondensatorkanalschicht 38 angeordnet und besteht aus einem hydrophoben und semipermeablen Membranmaterial. In 3 ist zur Veranschaulichung in der linken Hälfte eine Verdampferkanalschicht 37 dargestellt, während in der rechte Hälfte eine Kondensatorkanalschicht 38 dargestellt ist. Gemäß den 3 und 7 sind die Verdampferkanalschichten 37 an ihrem inneren Ende mit dem Verdampfereinlasskanal 25 fluidisch verbunden, während sie mit ihrem äußeren Ende mit jeweils einem Verdampferauslasskanal 27 fluidisch verbunden sind. Die relativen Angaben „innen“ und „außen“ beziehen sich auf die radiale Position. Die Kondensatorkanalschichten 38 sind jeweils mit ihrem inneren Ende mit je einem Kondensatorauslasskanal 31 und mit ihrem äußeren Ende jeweils mit einem Kondensatoreinlasskanal 30 fluidisch verbunden. Dementsprechend verbinden die Verdampferkanalschichten 37 jeweils den zentralen, gemeinsamen Verdampfereinlasskanal 25 mit einem der Verdampferauslasskanäle 27. Die Kondensatorkanalschichten 38 verbinden dabei jeweils einen der Kondensatoreinlasskanäle 30 mit einem der Kondensatorauslasskanäle 31.
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Der erste Endboden 23 weist gemäß 3 den Verdampfereinlass 7 und den Kondensatoreinlass 14 auf. Der Verdampfereinlass 7 ist mit der Verdampfereinlassöffnung 26 fluidisch verbunden. Der Kondensatoreinlass 14 ist mit den Kondensatoreinlassöffnungen 33 fluidisch verbunden. Im Unterschied dazu weist der zweite Endboden 24 den Verdampferauslass 12 und den Kondensatorauslass 17 auf. Der Verdampferauslass 12 ist mit den Verdampferausöffnungen 32 fluidisch verbunden. Der Kondensatorauslass 17 ist mit den Kondensatorauslassöffnungen 34 fluidisch verbunden. Dementsprechend stellt sich im Betrieb der Destillationseinrichtung 1 bzw. des Destillationsmoduls 2 ein in 3 durch Pfeile angedeuteter Verdampfungsmittelstrom 40 ein, der durch den Verdampfereinlass 7 in das Destillationsmodul 2 hineinführt, den Verdampfereinlasskanal 25 durchströmt, von dort durch die Verdampferkanalschichten 37 in die Verdampferauslasskanäle 27 gelangt und von diesen zum Verdampferauslass 12 strömt und durch diesen aus dem Destillationsmodul 2 ausströmt. Ein Kondensationsmittelstrom 41 ist in 3 ebenfalls durch Pfeile angedeutet und tritt durch den Kondensateinlass 14 in das Destillationsmodul 2 ein. Von dort gelangt der Kondensationsmittelstrom 41 in die Kondensatoreinlasskanäle 30, von dort strömt das Kondensationsmittel durch die Kondensatorkanalschichten 38 in die Kondensatorauslasskanäle 31 und gelangt von diesen zum Kondensatauslass 17. Dabei durchströmen der Verdampfungsmittelstrom 40 und der Kondensationsmittelstrom 41 das Destillationsmodul 2 einerseits wärmeübertragend und andererseits mediengetrennt hinsichtlich der flüssigen Phase. Ferner durchströmen der Verdampfungsmittelstrom 40 und der Kondensationsmittelstrom 41 das Destillationsmodul 2 hier nach dem Gegenstromprinzip. Dampf des Verdampfungsmittels kann durch die Membranschichten 39 aus den Verdampferkanalschichten 37 in die Kondensatorkanalschichten 38 gelangen, darin kondensieren und dadurch in den Kondensationsmittelstrom 41 gelangen.
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Gemäß den 3 und 5 enthält der erste Endboden 23 zweckmäßig einen ringförmigen Verteilerkanal 42, der eine fluidische Verbindung zwischen dem Kondensateinlass 14 und den Kondensateinlasskanälen 30 schafft. Hierzu münden die Kondensateinlasskanäle 30 mit ihren Kondensateinlassöffnungen 33 in den Verteilerkanal 42 ein. Erkennbar ist der Verdampfereinlass 25 zentrisch am ersten Endboden 23 angeordnet, während der Kondensatoreinlass 14 exzentrisch am ersten Endboden 23 angeordnet ist.
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Gemäß den 3 und 6 enthält der zweite Endboden 24 einen ringförmigen Sammelkanal 43, der eine fluidische Verbindung zwischen dem Verdampferauslass 12 und den Verdampferauslasskanälen 27 schafft. Dementsprechend münden die Verdampferauslasskanäle 27 mit ihren Verdampferauslassöffnungen 32 in den Sammelkanal 43 ein. Zweckmäßig ist am zweiten Endboden 24 der Kondensatorauslass 17 zentrisch angeordnet, während der Verdampferauslass 12 am zweiten Endboden 24 exzentrisch angeordnet ist.
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Gemäß den 3 und 6 kann im zweiten Endboden 24 zusätzlich eine zylindrische oder scheibenförmige Sammelkammer 58 enthalten sein, um eine fluidische Verbindung zwischen den mehreren exzentrischen Kondensatorauslassöffnungen 34 und dem einen zentrischen Kondensatorauslass 17 zu schaffen.
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Der erste Endboden 23 und der zweite Endboden 24 können aus Kunststoff, insbesondere aus Kunstharz, gegossen sein. Dabei kann der Gießprozess in zwei Stufen stattfinden, um den in den ersten Endboden 23 integrierten Verteilerkanal 42 auszuformen bzw. um im zweiten Endboden 24 den integrierten Sammelkanal 43 und/oder die darin integrierte Sammelkammer 58 auszuformen. Beim Angießen der Endböden 23, 24 an die Wickelstruktur 36 wird gleichzeitig eine axiale Versiegelung der Destillationsmembranen 35 erreicht, um die Verdampferkanalschichten 37, die Kondensatorkanalschichten 38 und die Membranschichten 39 axial abzudichten.
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Gemäß den 3–7 ist der Verdampfereinlasskanal 25 mit Hilfe eines Verdampfereinlassrohres 44 gebildet. Das Verdampfereinlassrohr 44 ist an einem dem ersten Endboden 23 zugewandten ersten Ende axial offen, so dass es dort die Verdampfereinlassöffnung 26 bildet. Am gegenüberliegenden zweiten Ende, das dem zweiten Endboden 24 zugewandt ist, ist das Verdampfereinlassrohr 44 axial verschlossen. Für jede Verdampferkanalschicht 37 weist das Verdampfereinlassrohr 44 eine radiale Verbindungsöffnung 45 auf, die insbesondere schlitzförmig ausgestaltet ist. Durch diese radiale Verbindungsöffnung 45 erfolgt die fluidische Verbindung zwischen dem Verdampfereinlasskanal 25 und der jeweiligen Verdampferkanalschicht 37.
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Ferner ist der jeweilige Verdampferauslasskanal 27 zweckmäßig mit Hilfe eines Verdampferauslassrohrs 46 gebildet. Diese Verdampferauslassrohre 46 sind an ihrem jeweiligen, dem ersten Endboden 23 zugewandten ersten Ende axial verschlossen, während sie an ihrem dem zweiten Endboden 24 zugewandten zweiten Ende axial offen sind und dort die jeweilige Verdampferauslassöffnung 32 bilden. Ferner weist jedes Verdampferauslassrohr 46 zumindest eine radiale Verbindungsöffnung 47 auf, die gemäß 3 schlitzförmig ausgestaltet sein kann und durch die hindurch der jeweilige Verdampferauslasskanal 27 mit der jeweiligen Verdampferkanalschicht 37 fluidisch verbunden ist.
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Des Weiteren kann der jeweilige Kondensatoreinlasskanal 30 mit Hilfe eines Kondensatoreinlassrohrs 48 gebildet sein, das an einem dem ersten Endboden 23 zugewandten ersten Ende axial offen ist und dort die jeweilige Kondensatoreinlassöffnung 33 bildet. An einem dem zweiten Endboden 24 zugewandten zweiten Ende ist das jeweilige Kondensatoreinlassrohr 48 dagegen axial verschlossen. Dafür weist das jeweilige Kondensatoreinlassrohr 48 zumindest für eine Kondensatorkanalschicht 38 eine radiale Verbindungsöffnung 49 auf, die zweckmäßig als axialer Schlitz ausgestaltet ist. Durch diese radiale Verbindungsöffnung 49 ist der jeweilige Kondensatoreinlasskanal 30 mit der Kondensatorkanalschicht 38 fluidisch verbunden. Entsprechendes gilt auch für die Kondensatorauslasskanäle 31, die mit Hilfe von Kondensatorauslassrohren 50 gebildet sind, die jeweils an einem dem ersten Endboden 23 zugewandten ersten Ende axial verschlossen sind, während sie an einem dem zweiten Endboden 24 zugewandten zweiten Ende axial offen sind und dort die jeweilige Kondensatorauslassöffnung 34 bilden. Ferner weist jedes Kondensatorauslassrohr 50 jeweils für eine Kondensatorkanalschicht 38 eine radiale Verbindungsöffnung 51 auf, die insbesondere als Axialschlitz ausgeformt ist. Durch diese radiale Verbindungsöffnung 51 hindurch ist der jeweilige Kondensatorauslasskanal 31 mit der jeweiligen Kondensatorkanalschicht 38 fluidisch verbunden.
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In der vereinfachten Darstellung der 7 sind nur eine Verdampferkanalschicht 37 und eine Kondensatorkanalschicht 38 vom jeweiligen inneren Ende bis zum jeweiligen äußeren Ende dargestellt, wobei in einem mittleren Bereich eine Unterbrechung eingezeichnet ist, in der sich mehrere Windungen der Wickelstruktur 36 befinden.
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Entsprechend 7 kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass je zwei in der Umfangsrichtung 28 unmittelbar benachbarte Membranschichten 39 jeweils durch einen Längsabschnitt 52 einer gemeinsamen Membranbahn 53 gebildet sind, die aus besagtem hydrophoben Membranmaterial besteht. Diese beiden Längsabschnitte 52 sind an ihren inneren Enden durch eine innere Schlaufe 54 der Membranbahn 53 und an ihren äußeren Enden durch eine äußere Schlaufe 55 der Membranbahn 53 miteinander verbunden, so dass die Membranbahn 53 eine geschlossen umlaufende, quasi endlos umlaufende Struktur besitzt. Diese Membranbahn 53 umschließt dabei einen Kondensateinlasskanal 30, einen Kondensatauslasskanal 31 und die zugehörige Kondensatkanalschicht 38. Zur Ausbildung dieser Kondensatkanalschicht 38 ist zwischen den Längsabschnitten 52, also wieder innerhalb der Membranbahn 53 eine innere Spacer-Materialbahn 56 angeordnet, die verhindert, dass die beiden Längsabschnitte 52 unmittelbar miteinander in Kontakt kommen. Die innere Spacer-Materialbahn 56 besteht aus einer durchströmbaren Struktur, beispielsweise aus einer Gitterstruktur oder Gewebestruktur. Erkennbar ragt die innere Spacer-Materialbahn 56 radial innen durch die Verbindungsöffnung 51 des Kondensatorauslassrohrs 50 in den Kondensatorauslasskanal 31 hinein. Radial außen ragt diese innere Spacer-Materialbahn 56 durch die Verbindungsöffnung 49 des Kondensatoreinlassrohrs 48 in den Kondensatoreinlasskanal 30 hinein. Somit wird eine fluidische Verbindung vom jeweiligen Kondensatoreinlasskanal 30 durch die jeweilige Kondensatorkanalschicht 38 zum jeweiligen Kondensatorauslasskanal 31 geschaffen, die vollständig von der Membranbahn 53 eingefasst ist, so dass keine Leckagegefahr besteht.
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Ferner ist 7 entnehmbar, dass zwischen zwei in der Umfangsrichtung 28 benachbarten Membranbahnen 53 eine äußere Spacer-Materialbahn 57 angeordnet ist. Die jeweilige äußere Spacer-Materialbahn 57 definiert dabei zwischen einander zugewandten Längsabschnitten 52 dieser beiden benachbarten Membranbahnen 53 jeweils eine Verdampferkanalschicht 37. Die äußere Spacer-Materialbahn 57 besteht aus einer durchströmbaren Struktur, beispielsweise aus einer Gitterstruktur oder Gewebestruktur. Gemäß 7 ragt die jeweilige äußere Spacer-Materialbahn 57 radial innen durch die Verbindungsöffnung 45 des Verdampfereinlassrohrs 44 in den Verdampfereinlasskanal 25 hinein. Radial außen ragt die jeweilige äußere Spacer-Materialbahn 57 durch die Verbindungsöffnung 47 des Verdampferauslassrohrs 46 in den Verdampferauslasskanal 27 hinein. Auf diese Weise wird die fluidische Verbindung zwischen dem Verdampfereinlasskanal 25 durch die jeweilige Verdampferkanalschicht 37 zum jeweiligen Verdampferauslasskanal 27 geschaffen. Auch hier kann einfach eine hinreichende Abdichtung gegenüber Leckagen realisiert werden, indem der Gehäusemantel 22 den gesamten Spiralkörper 36 radial außen in der Umfangsrichtung 28 komplett einfasst. Insoweit ist der Verdampferpfad 3 innerhalb des Gehäuses 2 dicht eingefasst. Gegenüber dem Kondensatorpfad 5 erfolgt die Abdichtung durch die Membranbahnen 53. Es ist klar, dass die Abdichtung zwischen dem Verdampferpfad 3 und dem Kondensatorpfad 5 durch die Membranstruktur 4 nur hinsichtlich der Flüssigphase ist, nicht jedoch gegenüber der Dampfphase, so dass gasförmiges Verdampfungsmittel ohne Weiteres von der jeweiligen Verdampferkanalschicht 37 durch die jeweilige Membranschicht 39 hindurch in die jeweilige Kondensatorkanalschicht 38 gelangen kann.
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Erkennbar sind die Destillationsmembranen 35 hier so konfiguriert, dass die Membranschichten 39 einerseits dem in der Verdampferkanalschicht 37 geführten Verdampfungsmittel und andererseits dem in der Kondensatorkanalschicht 38 geführten Kondensationsmittel jeweils unmittelbar ausgesetzt sind. Dementsprechend arbeitet das hier vorgestellte Destillationsmodul 2 vorzugsweise nach dem DCMD-Verfahren. Alternativ kann zwischen der jeweiligen Membranschicht 39 und der zugehörigen Kondensatorkanalschicht 38 ein Spalt ausgebildet sein, um das Destillationsmodul 2 nach dem AGMD-Verfahren oder nach dem VMD-Verfahren oder nach dem SWGMD-Verfahren betreiben zu können.
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Für den Fall, dass die hier vorgestellte Destillationseinrichtung 1 zur Meerwasserentsalzung verwendet wird, wird dem Verdampfereinlass 7 Salzwasser mit einem ersten Salzgehalt zugeführt, während am Verdampferauslass 12 Salzwasser mit einem erhöhten zweiten Salzgehalt abgeführt wird. Dem Kondensatoreinlass 14 wird eine erste Menge an Süßwasser zugeführt, während am Kondensatorauslass 17 eine größere zweite Menge an Süßwasser abgeführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004013647 A1 [0006]
- DE 102004040950 A1 [0007]
- DE 4008066 C2 [0008]
- EP 1029583 A1 [0009]
- DE 20303013 U1 [0009]
- DE 1517915 A [0009]
